Oksit yarıiletken tabanlı optik gaz sensörlerinin geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada RF Magnetron Sputtering (RF saçtırma) tekniği ile ZnO, NiO ve WO3 oksit yarıiletkenler cam altlık üzerine üretilmiştir. Üretilen yarıiletkenlerin yapısal ve optik karakterizasyonları XRD, Raman, SEM ve optik soğurma ölçümleri ile tamamlanmıştır. Bu yarıiletkenlerin Hidrojen gazına optik olarak verdiği tepkiyi incelemek için bu tez sürecinde optik gaz sensörü test sistemi hazırlanmış ve programlanmıştır. ZnO, NiO ve WO3 Oksit yarıiletkenleri yaklaşık olarak 10 nm paladyum ve platin kaplanmıştır. Hem kaplamalı hem de kaplamasız durumda hidrojen gazına bağlı olarak optik soğurma değişimleri incelenmiştir. Bu değişimlerin 450 nm – 850 nm dalga boyları arasında meydana geldiği gözlemlenmiştir. NiO yarı iletkeninde soğurma, bu dalgaboyları arasında azalırken ZnO ve WO3 yarı iletkeninde soğurma artmıştır. Kaplamasız durumda sadece NiO hidrojen gazına optik olarak bir tepki vermiştir. Paladyum kaplı yarı iletkenlerden Pd/NiO sensörü 300 °C sabit sıcaklıkta 40.000 ppm H2 gazı için en iyi tepki süresi (70 s) ve yenilenme süresine (206 s) sahipken Pd/WO3 sensörü en iyi tepkiyi (%340) vermiştir. Paladyum kaplama sensörlerde tepkinin artmasına neden olurken platin kaplama sensörlerden sadece Pt/WO3 sensörünün daha düşük sıcaklıklarda (40 oC) hidrojen gazına tepki vermesine neden olmuştur. Pd/NiO sensörünün 300 °C'deki minimum hidrojen algılama seviyesi 200 ppm olurken Pd/ZnO ve Pd/WO3 sensörü için bu değer sırasıyla 10000 ppm ve 500 ppm olmuştur.

In this study, ZnO, NiO and WO3 oxide semiconductors were fabricated on glass substrate by RF Magnetron Sputtering technique. Structural and optical characterizations of the semiconductors were carried out with XRD, Raman, SEM and optical absorption measurements. To investigate the optical response of these semiconductors to hydrogen gas, an optical gas sensor test system was prepared and programmed during this thesis. ZnO, NiO and WO3 Oxide semiconductors were coated with approximately 10 nm of palladium and platinum. In both the coated and uncoated cases, optical absorption changes were investigated depending on hydrogen gas. It was observed that these changes occured between 450 nm – 850 nm wavelengths. The absorption in the NiO semiconductor was reduced between these wave lengths while the absorption increased in the ZnO and WO3 semiconductors. In the uncoated state, only NiO gave an optical response to hydrogen gas. While the palladium coated NiO (Pd/NiO) sensor had the best response time (70 s) and recovery time (206 s) for 40,000 ppm H2 gas at 300 °C constant temperature, the Pd/WO3 sensor gave the best response (340%). Palladium coating caused the response of the sensors to increase, while the platinum coating caused only the Pt / WO3 sensor to respond to hydrogen gas at lower temperatures (40 oC). The minimum hydrogen sensing level of the Pd/NiO sensor at 300 °C was 200 ppm, while for Pd/ZnO and Pd/WO3 sensors this value was 10000 ppm and 500 ppm respectively